MK: TRANSFORMASI FASA Pertemuan Ke-6 Sistem Besi-Karbon Nurun Nayiroh, M.Si Sistem Besi-Karbon Besi dengan campuran karbon adalah bahan yang paling banyak digunakan diantaranya adalah baja. Kegunaan baja sangat bergantung dari pada sifat sifat baja yang sangat bervariasi yang diperoleh dari pemaduan dan penerapan proses perlakuan panas. Sifat mekanik dari baja sangat bergantung pada struktur mikronya. Sedangkan struktur mikro sangat mudah dirubah melalui proses perlakuan panas. Baja adalah paduan besi dengan kandungan karbon sampai maksimum sekitar 1,7%. Paduan besi dengan karbon di atas 1,7% disebut dengan besi cor (cast iron) Sistem Besi-Karbon Beberapa jenis baja memiliki sifat sifat yang tertentu sebagaimana akibat penambahan unsur paduan. Salah satu unsur paduan yang sangat penting yang dapat mengontrol sifat baja adalah karbon (C). Jika besi dipadu dengan karbon, transformasi yang terjadi pada rentang temperatur tertentu erat kaitannya dengan kandungan karbon. Diagram yang menggambarkan hubungan antara temperatur dimana terjadinya perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat dengan kadar karbon disebut dengan diagram fasa besi-karbon Diagram ini merupakan dasar pemahaman untuk semua operasi operasi Perlakuan Panas DIAGRAM FASA BESI BESI CARBIDA (Fe Fe 3 C) Diagram fasa besi besi karbida dibatasi sampai komposisi karbon 6,7 %wt. Diatas 6,7 wt% bahan digolongkan ke dalam bahan grafit 1
Penjelasan gambar Diagram Fasa Besi-Besi Karbida 2 Besi murni Pada temperatur ruang disebut ferit atau besi α yang mempunyai struktur kristal BCC. Ferit akan berubah menjadi austenit atau besi γpada temperatur 912 0 C (1674 0 F) dengan struktur kristal FCC. Pada temperatur 1538 0 C (2800 0 F) austenite akan berubah menjadi besi ferit δdan struktur kristal BCC. 1 Baja dan Besi Tuang adalah besi yang mempunyai kadar karbon lebih kecil dari 6,7 wt%. Pada 6,7wt% terdapat kandungan Fe 3 C sebesar 100 %wt, sehingga kandungan karbon 6,7 wt% disebut juga mempunyai kandungan 100 wt% Fe 3 C (cementite). Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Struktur mikro dan sifat yang diinginkan dalam pembuatan baja dapat diperoleh melalui proses pemanasan dan pendinginan pada temperatur tertentu. Jika struktur mikronya diamati dengan menggunakan mikroskop, maka akan tampak bahwa baja tersebut memiliki struktur yang berbeda-beda. Jenis struktur yang ada sangat dipengaruhi oleh kamposisi kimia dari baja dan jenis perlakuan panas yang diterapkan pada baja tersebut. Struktur yang akan ada pada suatu baja adalah ferit, Perlit, bainit, martensit, sementit dan karbida lainnya 2
Besi α(ferit) Komposisi maksimum C adalah 0,022 wt% pada 727 0 C (1341 0 F). Struktur kristalnya BCC. Sifat bahan : Lunak, ulet dan memiliki kekerasan sekitar 70-100 BHN Memiliki konduktivitas tinggi Bisa dibuat magnet pada temperatur dibawah 768 0 C Kerapatan : 9,88 gr/cm 3 Besi γ (Austenite) Maksimum karbon 2,11wt% pada 1148 0 C. Struktur kristal FCC. Austenite bersifat non magnet. 1 Besi δ(ferit δ) Mempunyai bentuk yang sama dengan ferit α hanya temperatur yang berbeda yaitu antara 1394 0 C sampai 1538 0 C. Cementite (Fe 3 C): Terbentuk ketika batas kelarutan karbon pada besi α terlewati pada temperatur dibawah 727 0 C. Fe 3 C jugaterbentuk dengan fasa γpada temperatur 727 s/d 1148 0 C. Sifat mekanik cementite adalah keras dan rapuh. Kekuatan beberapa baja bisa ditingkatkan dengan kandungan cementite. 2 Reaksi eutectic terjadi pada 4,3 wt% C dan temperatur 1148 0 C Reaksi eutectoid terjadi pada 0,77 wt% C dan temperatur 727 0 C : Perlit adalah campuran sementit dan ferit yang memiliki kekerasan sekitar 10-30 HRC. Jika baja eutektoid (0,8%C) diaustenisasi dan didinginkan dengan cepat ke suatu temperatur, misalnya ke temperatur 700 0 C dan dibiarkan pada temperatur tersebut sehingga terjadi transformasi isotermal, maka austenit akan mengurai dan membentuk perlit melalui proses pengintian (nukleasi) dan pertumbuhan. Perlit yang terbentuk berupa campuran ferit dengan sementit yang tampak seperti pelat-pelat yang tersusun bergantian. 3
Skema representasi mikrostruktur untuk paduan besi-karbon pada komposisi autectoid (0,76 %wt C) di bawah dan di atas temperatur eutectoid Transformasi fasa terjadi dari daerah γke daerah α+ Fe 3 C. Pada titik eutectoid austenite dengan komposisi 0,77 wt% C akan berubah menjadi ferit (0,022 wt% C) dan Fe 3 C(6,7 wt% C). BAINIT Bainit adalah suatu fasa yang diberi nama sesuai dengan nama penemunya yaitu E.C. Bain. Bainit merupakan fasa yang kurang stabil (metastabil) vang diperoleh dari austenit pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur transformasi ke perlit dan lebih tinggi dari temperatur transformasi ke Martensit. Sebagai contoh jika baja eutektoid yang diaustenisasi didinginkan dengan cepat ke temperatur sekitar 250-500 0 C dan dibiarkan pada temperatur tersebut, hasil transformasinya adalah berupa struktur vang terdiri dari ferit dan sementit (struktur bainit) tetapi bukan perlit Kekerasannya bervariasi antara 45-55 HRC tergantung pada temperatur transformasinya. Ditinjau dari temperatur transformasinya, jika terbentuk pada temperatur yang relatif tinggi disebut Upper Bainite sedangkan jika terbentuk pada temperatur yang lebih rendah disebut sebagal Lower Bainite. Struktur upper bainite seperti perlit yang sangat halus sedangkan lower bainite menyerupai martensit temper. 4
MARTENSIT Martensit adalah fasa yang ditemukan oleh seorang metalografer yang bernama A. Martens. Fasa tersebut merupakan larutan padat dari karbon yang lewat jenuh pada besi alfa sehingga kisi-kisi sel satuannya terdistorsi. Sifatnya sangat keras dan diperoleh jika baja dari temperatur austenitnya didinginkan dengan laju pendinginan yang lebih besar dari laju pendinginan kritiknya. Dalam paduan besi karbon dan baja, austenit merupakan fasa induk dan bertransformasi menjadi martensit pada saat pendinginan. Transformasi ke martensit berlangsung tanpa difusi sehingga komposisi yang dimiliki oleh martensit sama dengan komposisi austenit, sesuai dengan komposisi paduannya sel satuan martensit adalah Tetragonal pusat badan (Body center tetragonal/bct). Atom karbon dianggap menggeser kisi kubus menjadi tetragonal. Kelarutan karbon dalam BCC menjadi lebih besar jika terbentuk martensit, dan hal inilah yang menyebabkan timbulnya tetragonalitas (BCT). Pembentukan martensit secara umum tidak tergantung pada waktu. Foto mikrografi (a) α-ferit (90 x) dan (b) austenit (325 x) BESI PADUAN (FERROUS ALLOY) Besi paduan Adalah paduan dimana besi sebagai komponen utama dan karbon beserta komponen komponen lainnya sebagai bahan paduan. Berdasarkan kandungan paduan, besi paduan di bagi atas: Besi (iron) Baja (steel) Besi tuang (cast iron). Besi murni: kandungan karbon kurang dari 0,008 wt%, dan strukturnya ferit pada temperatur ruang. Baja: kandungan karbon antara 0,008 0,11 wt% C struktur kristal : α+ Fe 3 C. Besi tuang: kandungan karbon antara 1,11 6,7 wt% C. Besi tuang komersial biasanya kandungan karbon < 4,5wt% C. 5
PADUAN HYPOEUTECTOID Pembentukan fasa α+ Fe 3 C dengan komposisi di bawah titik eutectoid disebut paduan hypoeutectoid. Proses pembentukannya bisa dilihat pada gambar 9.27. Struktur kristal yang terbentuk mempunyai fasa pearlite dan proeutectoid α. Proeutectoid ferit (α) adalah ferit yang terbentuk sebelum terbentuknya pearlite. Pada pembentukan hypoeutectoid: (lihat Gambar 9.29) 6
Paduan Hypereutectoid Pembentukan fasa α+ Fe 3 C dengan komposisi di atas titik eutectoid disebut paduan hypereutectoid. (gb. 9.30). Proeutectoid sementit adalah : sementit yang terbentuk sebelum terbentuknya pearlite 7
Contoh Soal Untuk paduan 99,65 wt% Fe 0,35 wt% C pada temperatur sedikit di bawah titik eutectoid, carilah: a. fraksi total fase ferit dan sementit. b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite proeutectoid. c. fraksi ferit eutectoid. Jawab a. fraksi total fase ferit dan sementit C 0 ' = 0,35 wt% C dan b. fraksi ferit proeutectoid dan pearlite proeutectoid: PENGARUH ELEMEN PADUAN LAINNYA dan c. fraksi ferit eutectoid Semua ferit, baik sebagai proeutektoid ataupun sebagai eutektoid (dalam pearlit). Maka jumlah kedua fraksi ferit ini sama dengan jumlah total ferit, sehingga: Wα + W al = Wα dimana W al adalah fraksi total paduan yang berupa ferit eutektoid. Maka: W al =Wα Wα'=0,95 0,56=0,39 Elemen paduan lain seperti Cr, Ni, Ti, dll, memberikan pengaruh yang besar pada diagram fasa Fe C. Unsur -unsur paduan seperti Karbon, mangan, chrom, wolfram, Molibden dan Vanadium banyak digunakan pada baja -baja perkakas (seperti pada baja Cold-worked, baja hot-worked dan HSS) untuk meningkatkan ketahanan baja tersebut terhadap keausan dan memelihara stabilitas baja tersebut pada temperatur tinggi. Keberadaan unsur paduan tersebut padabaja akan menimbulkan terbentuknya karbida seperti: M 3 C, M 23 C 6, M 6 C, M 7 C 3 dimana M menyatakan atom-atom logam sedangkan C menyatakan kadar karbon. 8
Banyaknya karbida yang ada pada suatu baja perkakas tergantung pada prosentase karbon dan unsur paduan serta tergantung pada jenis karbidayang akan terbentuk. Pada baja hypereutektoid yang sudah dikeraskan, keberadaan karbida adalah sekitar 5-12%. Sedangkan pada struktur yang dianil, jumlah tersebut akan bertambah banyak. Pada saat diaustenisasi, karbida-karbida ini akan memperkaya austenit dengan karbon dan unsur-unsur paduan. Unsur paduan yang memperkaya austenit seperti: Cr, W, Mo atau V akan menciptakan kondisi yang dapat mempermudah terbentuknya presipitasi karbida -karbida pada saat dikeraskan maupun pada saat ditemper. Kondisiseperti itu dapat meningkatkan stabilitas termal dari baja ybs dan juga meningkatkan kekerasan sekitar 3-5 HRC. 9